Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции. Синхронный магнитоэлектрический двигатель


Глава 23 • Синхронные машины специального назначения

§ 23.1. Синхронные машины с постоянными магнитами

Синхронные машины с постоянными магнита­ми (магнитоэлектрические) не имеют обмотки воз­буждения на роторе, а возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными магнитами, рас­положенными на роторе. Статор этих машин обыч­ной конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.

Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей небольшой мощности. Синхронные ге­нераторы с постоянными магнитами применяют ре­же, главным образом в качестве автономно рабо­тающих генераторов повышенной частоты, малой и средней мощности.

Синхронные магнитоэлектрические двигате­ли. Эти двигатели получили распространение в двух конструктивных исполнениях: с радиальным и акси­альным расположением постоянных магнитов.

При радиальном расположении по­стоянных магнитов пакет ротора с пусковой клет­кой, выполненный в виде полого цилиндра, закреп­ляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные прорези, предотвращающие замыка­ние потока постоянного магнита в этом цилиндре (рис. 23.1, ).

При аксиальном расположении маг­нитов конструкция ротора аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. К торцам этого ротора прижаты кольцевые постоян­ные магниты (рис. 23.1, ).

Конструкции с аксиальным расположением маг­нита применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт; конструкции с радиальным расположением магнитов применяют в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.

Физические процессы, протекающие при асин­хронном пуске этих двигателей, имеют некоторую осо­бенность, обусловленную тем, что магнитоэлектриче­ские двигатели пускают в возбужденном состоянии. Поле постоянного магнита в процессе разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС , частота которой увеличивается пропор­ционально частоте вращения ротора. Эта ЭДС наводит в обмотке статора ток, взаимодействующий с полем постоянных магнитов и создающий тормозной момент , направленный встречно вращению ротора.

Рис. 23.1. Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и

аксиальным (б) расположением постоянных магнитов:

1 — статор, 2 — короткозамкнутый ротор, 3 — постоянный магнит

Таким образом, при разгоне двигателя с постоянными магни­тами на его ротор действуют два асинхронных момента (рис. 23.2): вращающий (от тока , поступающего в обмотку статора из сети) и тормозной (от тока , наведенного в обмотке статораполем постоянного магнита).

Однако зависимость этих моментов от частоты вращения ро­тора (скольжения) различна: максимум вращающего момента соответствует значительной частоте (небольшому скольжению), а максимум тормозного момента МТ - малой частоте вращения (большому скольжению). Разгон ротора происходит под действи­ем результирующего момента , который имеет зна­чительный «провал» в зоне малых частот вращения. Из приведен­ных на рисунке кривых видно, что влияние момента на пусковые свойства двигателя, в частности на момент входа в син­хронизм Мвх, значительно.

Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном ре­жиме и момент входа в синхронизмМвх, были больше момента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента магнитоэлектри­ческого

Рис.23.2. Графики асинхронных моментов

магнитоэлектрического синхронного двигателя

двигателя в значительной степени зависит от активного сопротивления пусковой клетки и от степени возбужденности дви­гателя, характеризуемой величиной , гдеЕ0 -ЭДС фазы статора, наведенная в режиме холостого хода при вра­щении ротора с синхронной частотой. С увеличением «провал»в кривой момента увеличивается.

Электромагнитные процессы в магнитоэлектрических син­хронных двигателях в принципе аналогичны процессам в син­хронных двигателях с электромагнитным возбуждением. Однако необходимо иметь в виду, что постоянные магниты в магнито­электрических машинах подвержены размагничиванию действием магнитного потока реакции якоря. Пусковая обмотка несколько ослабляет это размагничивание, так как оказывает на постоянные магниты экранирующее действие.

Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная устойчивость работы в синхронном режиме и равномерность частоты вращения, а также способность синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в одну сеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и ,).

Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная стоимость по сравнению с синхронными двигателями других типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обла­дающих большой коэрцитивной силой (ални, алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изго­товляют на небольшие мощности и применяют в приборостроении и в устройствах автоматики для привода механизмов, требующих по­стоянства частоты вращения.

Синхронные магнитоэлек­трические генераторы. Ротор та­кого генератора выполняют при малой мощности в виде «звездоч­ки» (рис. 23.3, а), при средней мощности — с когтеобразными полюсами и цилиндрическим постоянным магнитом (рис. 23.3, б). Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора. Этот ток представляет большую опасность для постоянного магнита ввиду сильного размагничивающего действия.

Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении магнитоэлектрических синхронных двигателей, генераторы с постоянны­ми магнитами имеют еще один недостаток, обусловленный отсутствием обмотки возбуждения, а поэтому регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах практически невозможна. Это затрудняет стабилизацию напряжения генератора при измене­ниях нагрузки.

Рис.23.3. Роторы магнитоэлектрических синхронных генераторов:

1 – вал; 2 – постоянный магнит; 3 – полюс; 4 – немагнитная втулка

studfiles.net

Синхронные машины с постоянными магнитами

⇐ ПредыдущаяСтр 62 из 85Следующая ⇒

Синхронные машины с постоянными магнита­ми (магнитоэлектрические) не имеют обмотки воз­буждения на роторе, а возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными магнитами, рас­положенными на роторе. Статор этих машин обыч­ной конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.

Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей небольшой мощности. Синхронные ге­нераторы с постоянными магнитами применяют ре­же, главным образом в качестве автономно рабо­тающих генераторов повышенной частоты, малой и средней мощности.

Синхронные магнитоэлектрические двигате­ли. Эти двигатели получили распространение в двух конструктивных исполнениях: с радиальным и акси­альным расположением постоянных магнитов.

При радиальном расположении по­стоянных магнитов пакет ротора с пусковой клет­кой, выполненный в виде полого цилиндра, закреп­ляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные прорези, предотвращающие замыка­ние потока постоянного магнита в этом цилиндре (рис. 23.1, ).

При аксиальном расположении маг­нитов конструкция ротора аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. К торцам этого ротора прижаты кольцевые постоян­ные магниты (рис. 23.1, ).

Конструкции с аксиальным расположением маг­нита применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт; конструкции с радиальным расположением магнитов применяют в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.

Физические процессы, протекающие при асин­хронном пуске этих двигателей, имеют некоторую осо­бенность, обусловленную тем, что магнитоэлектриче­ские двигатели пускают в возбужденном состоянии. Поле постоянного магнита в процессе разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС , частота которой увеличивается пропор­ционально частоте вращения ротора. Эта ЭДС наводит в обмотке статора ток, взаимодействующий с полем постоянных магнитов и создающий тормозной момент , направленный встречно вращению ротора.

Рис. 23.1. Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и

аксиальным (б) расположением постоянных магнитов:

1 — статор, 2 — короткозамкнутый ротор, 3 — постоянный магнит

Таким образом, при разгоне двигателя с постоянными магни­тами на его ротор действуют два асинхронных момента (рис. 23.2): вращающий (от тока , поступающего в обмотку статора из сети) и тормозной (от тока , наведенного в обмотке статора полем постоянного магнита).

Однако зависимость этих моментов от частоты вращения ро­тора (скольжения) различна: максимум вращающего момента соответствует значительной частоте (небольшому скольжению), а максимум тормозного момента МТ - малой частоте вращения (большому скольжению). Разгон ротора происходит под действи­ем результирующего момента , который имеет зна­чительный «провал» в зоне малых частот вращения. Из приведен­ных на рисунке кривых видно, что влияние момента на пусковые свойства двигателя, в частности на момент входа в син­хронизм Мвх, значительно.

Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном ре­жиме и момент входа в синхронизм Мвх, были больше момента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента магнитоэлектри­ческого

 

 

 

Рис.23.2. Графики асинхронных моментов

магнитоэлектрического синхронного двигателя

 

двигателя в значительной степени зависит от активного сопротивления пусковой клетки и от степени возбужденности дви­гателя, характеризуемой величиной , где Е0 -ЭДС фазы статора, наведенная в режиме холостого хода при вра­щении ротора с синхронной частотой. С увеличением «провал» в кривой момента увеличивается.

Электромагнитные процессы в магнитоэлектрических син­хронных двигателях в принципе аналогичны процессам в син­хронных двигателях с электромагнитным возбуждением. Однако необходимо иметь в виду, что постоянные магниты в магнито­электрических машинах подвержены размагничиванию действием магнитного потока реакции якоря. Пусковая обмотка несколько ослабляет это размагничивание, так как оказывает на постоянные магниты экранирующее действие.

Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная устойчивость работы в синхронном режиме и равномерность частоты вращения, а также способность синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в одну сеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и ,).

Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная стоимость по сравнению с синхронными двигателями других типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обла­дающих большой коэрцитивной силой (ални, алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изго­товляют на небольшие мощности и применяют в приборостроении и в устройствах автоматики для привода механизмов, требующих по­стоянства частоты вращения.

Синхронные магнитоэлек­трические генераторы. Ротор та­кого генератора выполняют при малой мощности в виде «звездоч­ки» (рис. 23.3, а), при средней мощности — с когтеобразными полюсами и цилиндрическим постоянным магнитом (рис. 23.3, б). Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора. Этот ток представляет большую опасность для постоянного магнита ввиду сильного размагничивающего действия.

Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении магнитоэлектрических синхронных двигателей, генераторы с постоянны­ми магнитами имеют еще один недостаток, обусловленный отсутствием обмотки возбуждения, а поэтому регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах практически невозможна. Это затрудняет стабилизацию напряжения генератора при измене­ниях нагрузки.

 

Рис.23.3. Роторы магнитоэлектрических синхронных генераторов:

1 – вал; 2 – постоянный магнит; 3 – полюс; 4 – немагнитная втулка

Читайте также:

lektsia.com

§ 23.1. Синхронные машины с постоянными магнитами

Синхронные машины с постоянными магнита­ми (магнитоэлектрические) не имеют обмотки воз­буждения на роторе, а возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными магнитами, рас­положенными на роторе. Статор этих машин обыч­ной конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.

Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей небольшой мощности. Синхронные ге­нераторы с постоянными магнитами применяют ре­же, главным образом в качестве автономно рабо­тающих генераторов повышенной частоты, малой и средней мощности.

Синхронные магнитоэлектрические двигате­ли. Эти двигатели получили распространение в двух конструктивных исполнениях: с радиальным и акси­альным расположением постоянных магнитов.

При радиальном расположении по­стоянных магнитов пакет ротора с пусковой клет­кой, выполненный в виде полого цилиндра, закреп­ляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные прорези, предотвращающие замыка­ние потока постоянного магнита в этом цилиндре (рис. 23.1, ).

При аксиальном расположении маг­нитов конструкция ротора аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. К торцам этого ротора прижаты кольцевые постоян­ные магниты (рис. 23.1, ).

Конструкции с аксиальным расположением маг­нита применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт; конструкции с радиальным расположением магнитов применяют в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.

Физические процессы, протекающие при асин­хронном пуске этих двигателей, имеют некоторую осо­бенность, обусловленную тем, что магнитоэлектриче­ские двигатели пускают в возбужденном состоянии. Поле постоянного магнита в процессе разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС, частота которой увеличивается пропор­ционально частоте вращения ротора. Эта ЭДС наводит в обмотке статора ток, взаимодействующий с полем постоянных магнитов и создающий тормозной момент , направленный встречно вращению ротора.

Рис. 23.1. Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и

аксиальным (б) расположением постоянных магнитов:

1 — статор, 2 — короткозамкнутый ротор, 3 — постоянный магнит

Таким образом, при разгоне двигателя с постоянными магни­тами на его ротор действуют два асинхронных момента (рис. 23.2): вращающий (от тока , поступающего в обмотку статора из сети) и тормозной (от тока , наведенного в обмотке статора полем постоянного магнита).

Однако зависимость этих моментов от частоты вращения ро­тора (скольжения) различна: максимум вращающего момента соответствует значительной частоте (небольшому скольжению), амаксимум тормозного момента МТ - малой частоте вращения (большому скольжению). Разгон ротора происходит под действи­ем результирующего момента , который имеет зна­чительный «провал» в зоне малых частот вращения. Из приведен­ных на рисунке кривых видно, что влияние момента на пусковые свойства двигателя, в частности на момент входа в син­хронизм Мвх, значительно.

Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном ре­жиме и момент входа в синхронизмМвх, были больше момента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента магнитоэлектри­ческого

Рис.23.2. Графики асинхронных моментов

магнитоэлектрического синхронного двигателя

двигателя в значительной степени зависит от активного сопротивления пусковой клетки и от степени возбужденности дви­гателя, характеризуемой величиной , гдеЕ0 -ЭДС фазы статора, наведенная в режиме холостого хода при вра­щении ротора с синхронной частотой. С увеличением «провал»в кривой момента увеличивается.

Электромагнитные процессы в магнитоэлектрических син­хронных двигателях в принципе аналогичны процессам в син­хронных двигателях с электромагнитным возбуждением. Однако необходимо иметь в виду, что постоянные магниты в магнито­электрических машинах подвержены размагничиванию действиеммагнитного потока реакции якоря. Пусковая обмотка несколько ослабляет это размагничивание, так как оказывает на постоянные магниты экранирующее действие.

Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная устойчивость работы в синхронном режиме и равномерность частоты вращения, а также способность синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в однусеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и ,).

Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная стоимость по сравнению с синхронными двигателямидругих типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обла­дающих большой коэрцитивной силой (ални, алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изго­товляют на небольшие мощности и применяют в приборостроении и в устройствах автоматики для привода механизмов, требующих по­стоянства частоты вращения.

Синхронные магнитоэлек­трические генераторы. Ротор та­кого генератора выполняют при малой мощности в виде «звездоч­ки» (рис. 23.3, а), при средней мощности — с когтеобразными полюсами и цилиндрическим постоянным магнитом (рис. 23.3,б). Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора. Этот ток представляет большую опасность для постоянного магнита ввиду сильного размагничивающего действия.

Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении магнитоэлектрических синхронных двигателей, генераторы с постоянны­ми магнитами имеют еще один недостаток, обусловленный отсутствием обмотки возбуждения, а поэтому регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах практически невозможна. Это затрудняет стабилизацию напряжения генератора при измене­ниях нагрузки.

Рис.23.3. Роторы магнитоэлектрических синхронных генераторов:

1– вал;2– постоянный магнит;3 – полюс;4 – немагнитная втулка

29. Принцип действия синхронного двигателя. Характеристики синхронного двигателя. Методы пуска синхронной машины. Качания синхронных машин

studfiles.net

Магнитоэлектрический двигатель

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, в частности, в гибридных автомобилях и электромобилях, электромеханических, в том числе автоматических системах управления и т.д. Технический результат заключается в увеличении мощности двигателя при сохранении его габаритов. В магнитоэлектрическом двигателе ротор содержит закрепленный на валу диск, на котором размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью. Статор содержит две параллельных друг другу пластины, между которыми размещены обмотки статора. Пластины статора снабжены сердечниками из электротехнической стали, на которых размещены обмотки статора. Сердечники выполнены в виде колец, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены выступы. Ширина B выступа составляет половину ширины C постоянного магнита. Выступы одного из сердечников смещены по окружности относительно выступов другого сердечника на половину ширины C постоянного магнита. Диск ротора размещен между сердечниками обмоток статора. 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, в частности, в гибридных автомобилях и электромобилях, электромеханических, в том числе, автоматических системах управления и т.д.

Известен магнитоэлектрический моментный двигатель, содержащий два статора с тороидальными магнитопроводами и катушечными обмотками, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, подшипники с внешними и внутренними кольцами и вал ротора, при этом один из статоров жестко укреплен в корпусе; двигатель снабжен вторым дисковым ротором с валом, аналогичным первому ротору, неподвижной полой осью со ступицей и регулировочными кольцами, при этом роторы расположены соосно и установлены с возможностью взаимного вращения, валы роторов выполнены полыми и размещены на внешних кольцах подшипников, которые с двух концов надеты на неподвижную полую ось, первый из статоров неподвижно укреплен на ступице полой оси, а второй статор установлен с возможностью разворота относительно первого, регулировочные кольца размещены на неподвижной оси между торцевыми поверхностями ступицы и внутренними кольцами подшипников; тороидальные магнитопроводы выполнены с трапецеидальными зубцами и ярмом, причем высота ярма превышает высоту зубцов на две высоты обмотки статора, SU 1775807 A1.

Основным недостатком данного двигателя является так называемое «залипание» ротора вследствие взаимного притяжения зубцов статора и постоянных магнитов ротора.

Известен также магнитоэлектрический двигатель, ротор которого выполнен из двух закрепленных на валу параллельных друг другу дисков, на каждом из которых размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью, при этом полюсы постоянных магнитов, размещенных на одном из дисков ротора, обращены к противоположным полюсам магнитов, размещенным на другом диске ротора, статор представляет собой пластину в виде диска и размещен между дисками ротора с зазором относительно вала и снабжен кольцевыми обмотками в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора; статор имеет множество расходящихся веером по кругу спиц с прорезями; кольцевые обмотки размещены в указанных спицах; для фиксации обмоток статора служат внутренние и внешние кольца, CN 101951106 (A).

Его недостатком является неравномерность крутящего момента на валу двигателя и вызываемая этим неравномерность вращения ротора. Это объясняется тем, что максимальное взаимодействие магнитного поля обмотки статора и постоянного магнита ротора имеет место при совпадении осей симметрии кольцевой обмотки и магнита. При изменении взаимного положения указанных осей друг относительно друга это взаимодействие уменьшается.

Известен магнитоэлектрический двигатель, ротор которого содержит закрепленные на валу параллельные друг другу диски, на каждом из которых размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью, при этом полюсы постоянных магнитов, размещенных на одном из дисков ротора, обращены к противоположным полюсам магнитов, размещенных на другом диске ротора, статор размещен между дисками ротора с зазором относительно вала и снабжен кольцевыми обмотками в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, статор выполнен в виде двух параллельных друг другу пластин, кольцевые обмотки размещены между пластинами, участки кольцевых обмоток в основаниях трапеций выгнуты по дуге, кольцевые обмотки одной пластины статора вставлены в кольцевые обмотки другой пластины статора с образованием модулей, причем расстояние l между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов; между кольцевыми обмотками статора размещена дополнительная плоская кольцевая обмотка в форме равнобедренной трапеции, боковые стороны которой расположены в одной плоскости между боковыми сторонами других кольцевых обмоток, RU 121404 U1.

Данный двигатель принят в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является большое расстояние между полюсами противоположных постоянных магнитов, размещенных на дисках ротора. В связи с этим напряженность магнитного поля в зазоре, где размещены обмотки статора резко уменьшается в зависимости от ширины этого зазора, которая определяется шириной статора. В результате падает мощность двигателя.

Задачей настоящего изобретения является увеличение мощности двигателя при сохранении его габаритов.

Согласно изобретению магнитоэлектрический двигатель, ротор которого содержит закрепленный на валу диск, на котором размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью, а статор содержит две параллельных друг другу пластины, между которыми размещены обмотки статора, пластины статора снабжены сердечниками из электротехнической стали, на которых размещены обмотки статора, сердечники выполнены в виде колец, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены выступы, ширина В выступа составляет половину ширины С постоянного магнита, выступы одного из сердечников смещены по окружности относительно выступов другого сердечника на половину ширины С постоянного магнита, при этом диск ротора размещен между сердечниками обмоток статора.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию «Новизна».

Реализация отличительных признаков изобретения обеспечивает важный технический результат, состоящий в следующем. В настоящем изобретении напряженность магнитного поля, влияющая на мощность двигателя, определяется суммарной величиной зазоров между постоянными магнитами ротора и выступами сердечников обмоток статора. Каждый из этих зазоров может не превышать 0,5 мм и зависит исключительно от точности изготовления и сборки механических элементов двигателя.

В устройстве-прототипе величина зазора, определяющего напряженность магнитного поля, зависит от толщины размещенных в этом зазоре обмоток статора и составляет, практически, не менее 10 мм.

Заявленное техническое решение позволяет уменьшить зазор, определяющий напряженность магнитного поля не менее чем в 10 раз и тем самым резко увеличить мощность магнитоэлектрического двигателя при сохранении его габаритов.

Указанные выше обстоятельства определяют, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - вид спереди;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1;

на фиг.4 - фрагмент сердечника обмоток статора в аксонометрии.

Магнитоэлектрический двигатель включает ротор, содержащий закрепленный на валу 1 диск 2, выполненный из дюралюминия. На диске 2 размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов 3 прямоугольной формы с чередующейся полярностью (фиг.1). Магниты 3 расположены эквидистантно относительно друг друга. Статор двигателя содержит две параллельные пластины 4, 5, выполненные из немагнитного материала, в частности, алюминиевого сплава. Пластины 4, 5 сопряжены с валом 1 посредством подшипников 6, 7. На пластинах 4, 5 статора укреплены сердечники из электротехнической стали, выполненные в виде двух колец 8, 9, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены, например, путем фрезерования, выступы 10, 11, соответственно. Ширина В каждого выступа составляет половину ширины С постоянного магнита 3. Выступы 10 на кольце 8 смещены относительно выступов 11 на кольце 9 на половину ширины постоянного магнита 3 (С/2). Промежутки между постоянными магнитами 3 заполнены эпоксидным компаундом 12. По периферии постоянные магниты 3 стянуты бандажной лентой 13. На сердечниках из электротехнической стали размещены обмотки 14 статора. В приведенном на чертежах примере обмотки 14 размещены на выступах 10, 11 сердечников, возможно также размещение обмоток 14 на сердечниках между выступами 10, 11, однако последнее несколько сложнее в технологическом отношении. Обмотки 14 соединены между собой последовательно.

Магнитоэлектрический двигатель работает следующим образом. При подаче переменного электрического тока на обмотки 14 статора происходит взаимодействие между магнитными полями постоянных магнитов 3 и магнитными полями, создаваемыми за счет протекания электрического тока в обмотках 14. В результате возникает крутящий момент, обеспечивающий вращение вала 1 ротора. Так как сердечники представляют собой единые элементы - кольца с выступами, и поверхности выступов обработаны за одну установку сердечника и обрабатывающего инструмента, поверхности выступов каждого сердечника находятся строго в одной плоскости. Вследствие этого обеспечивается минимальный и равномерный зазор между сердечниками обмоток статора и поверхностями постоянных магнитов 3. Поскольку ширина В выступа составляет половину ширины С постоянного магнита ротора и выступы одного из сердечников смещены по окружности относительно выступов другого сердечника на половину ширины постоянного магнита, исключается эффект «залипания ротора», который затрудняет пуск двигателя и является причиной шума при его работе. Это объясняется тем, что магнитное поле сердечников, укрепленных на пластине 4 статора, уравновешивает магнитное поле сердечников, находящихся на пластине 5 статора. В результате при любом положении ротора суммарная составляющая действующих на него сил, практически, равна нулю.

Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Магнитоэлектрический двигатель, ротор которого содержит закрепленный на валу диск, на котором размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью, а статор содержит две параллельных друг другу пластины, между которыми размещены обмотки статора, отличающийся тем, что пластины статора снабжены сердечниками из электротехнической стали, на которых размещены обмотки статора, сердечники выполнены в виде колец, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены выступы, ширина В выступа составляет половину ширины С постоянного магнита, выступы одного из сердечников смещены по окружности относительно выступов другого сердечника на половину ширины С постоянного магнита, при этом диск ротора размещен между сердечниками обмоток статора.

www.findpatent.ru

бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря - патент РФ 2414040

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным синхронным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается особенностей конструктивного исполнения бесконтактных синхронных магнитоэлектрических машин и может быть использовано в системах автоматики, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, многофазных синхронных электрических двигателей и электрических генераторов преобразователей частоты, а также в качестве многофазных источников питания электрическим током. Предлагаемая бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря содержит статор, сердечник якоря которого набран из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и имеет явно выраженные полюса с катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, а также ротор, содержащий индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явновыраженными полюсами с чередующейся полярностью, возбуждаемыми постоянными магнитами. При этом выполняются определенные соотношения между числом явно выраженных полюсов якоря, числом фаз m-фазной обмотки якоря, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе и числом явно выраженных полюсов индуктора. Достигаемый технический результат - высокие энергетические показатели, большой удельный вращающий момент на валу, снижение пульсаций вращающего момента, вибрации и шума бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины за счет выполнения ее многофазной и с модулированной магнитодвижущей силой якоря. 12 з.п. ф-лы, 5 ил. бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным синхронным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных синхронных магнитоэлектрических машин и может быть использовано в системах автоматики, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, многофазных синхронных электрических двигателей и генераторов преобразователей частоты и многофазных источников питания электрическим током.

Известна индукторная электрическая машина (Патент RU 2009599 С1, МПК 5 Н02К 19/06, Н02К 19/24, авторы: Жуловян В.В., Новокрещенов О.И., Шаншуров Г.А.), содержащая явнополюсный с числом полюсов Z0 зубчатый статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой размещена на одном полюсе статора, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор и преобразователь, к которому подключена обмотка статора, статор и ротор выполнены с четными и не равными друг другу числами зубцов и каждая фаза обмотки выполнена из р встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 , где р - число четное, 2·бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 =Z0/p. Недостатком описанной индукторной электрической машины принято считать невысокие энергетические показатели. Кроме этого указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что усложняет технологию и затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.

Известен принятый за прототип синхронный электродвигатель (А.с. СССР SU № 1345291 А1, МПК Н02К 19/02, бюл. № 38, 1987 г., автор А.Ф.Шевченко), содержащий статор с трехфазной обмоткой и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, статор выполнен с явно выраженными полюсами, причем числа полюсов статора ZS и ротора ZR выполнены в соотношении ZR=ZS±k, где ZS=3·k, a k=1, 2, 3, бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 , катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе и расположенные на полюсах, сдвинутых на 360 эл. град., включены встречно. Недостатком описанного синхронного электродвигателя является наличие статора только с трехфазной обмоткой якоря, что уменьшает возможные применения данного устройства.

Целью настоящего изобретения является достижение высоких энергетических показателей, увеличение удельного (отнесенного к массе активных материалов) момента на валу, снижение пульсаций вращающего момента, вибрации и шума бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины за счет выполнения ее многофазной и с модулированной магнитодвижущей силой (далее - МДС) якоря.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа явно выраженных полюсов якоря и числа явно выраженных полюсов индуктора, возбуждаемых постоянными магнитами, при выполнении сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение высоких энергетических показателей, большого удельного вращающего момента на валу в режиме электрического двигателя и большой удельной мощности в режиме электрического генератора бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря.

С целью достижения задачи и технического результата изобретения статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, катушечную m-фазную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явно выраженными полюсами, создающими магнитный поток возбуждения при помощи постоянных магнитов и образующими в воздушном зазоре чередующуюся полярность «N - S» магнитных полюсов. Индуктор крепится к немагнитной втулке или немагнитному валу (при малых диаметрах ротора). В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения ротора с постоянными магнитами любого типа - с когтеобразными полюсами и аксиальным расположением постоянных магнитов, с радиальным размещением постоянных магнитов, с тангенциальным размещением постоянных магнитов (ротор «коллекторного типа»), мозаичный сборный ротор (типа РОМС). Возможны исполнения бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.

В заявляемом изобретении бесконтактная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря является синхронной машиной, так как частота вращения ее ротора строго пропорциональна частоте питающего напряжения и остается постоянной независимо от изменения механического момента нагрузки на валу (в режиме работы электрическим двигателем). Указанное устройство может питаться как непосредственно от источника переменного напряжения, так и работать в вентильном управляемом режиме.

При применении бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:

- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,

- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,

- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

При применении бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря в качестве электрического двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря может осуществляться прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1, фиг.3 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря с ротором «коллекторного типа»,

фиг.2, фиг.4 - примеры реализации изобретения в виде схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря с подключением m-фазных обмоток якоря в режиме электрического двигателя на источники m-фазных напряжений, векторных диаграмм фазных токов якоря и соответствующих им диаграмм МДС якоря,

фиг.5 - общий вид бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря с внешним якорем и внутренним индуктором.

В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря число явно выраженных полюсов якоря Z1P, число фаз m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 , число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z1m , число явно выраженных полюсов индуктора Z2P связаны равенствами (1) и (2)

бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040

бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040

причем при m=3, 5, 7, 9,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z1m =1, 2, 3, 4,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 , при m=4, 6, 8, 10,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z1m =2, 4, 6, 8,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 , катушки обмотки в фазе якоря соединены между собой встречно в магнитном отношении, начала фаз обмотки якоря по порядку, начиная с первой фазы, принадлежат катушкам, сосредоточенным на явно выраженных полюсах якоря, расположенных относительно друг друга, начиная с первого полюса, на угловом расстоянии бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 =2·t1P, где t1P=360°/Z 1P - полюсное деление якоря.

Следует отметить, что направление вращения индуктора в режиме работы бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря электрическим двигателем совпадает с направлением вращения кругового магнитного поля якоря, созданного многофазной системой переменных электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря. Реверсирование электрического двигателя осуществляется сменой чередования фаз обмотки якоря относительно первой фазы на противоположное.

Фазы m-фазной обмотки якоря могут быть соединены между собой в «звезду» или в «многоугольник».

На фиг.1÷4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с равенствами (1) и (2). Положение векторов фазных токов на векторной диаграмме, направление электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря, и диаграмма МДС якоря, показанные на фиг.2, и положение сердечника индуктора относительно сердечника якоря бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме, показанное на фиг.1, соответствуют одному и тому же моменту времени. Положение векторов фазных токов на векторной диаграмме, направление электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря, и диаграмма МДС якоря, показанные на фиг.4, и положение сердечника индуктора относительно сердечника якоря бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме, показанное на фиг.3, соответствуют одному и тому же моменту времени.

Рассмотрим конструкцию бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря с внешним якорем и внутренним индуктором, представляющим собой ротор «коллекторного типа» (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря имеет явно выраженные полюса 3 и выполнен шихтованным из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Он запрессован в корпусе 7, который может быть выполнен из стали или из сплава алюминия. Возможен также и бескорпусный вариант.На каждом из явно выраженных полюсов 3 якоря размещена катушка обмотки 4 якоря. Катушки обмотки 4 якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Они изолируются от сердечника 2 и явно выраженных полюсов 3 якоря корпусной изоляцией. Индуктор при помощи подшипников 10, вала 5 и подшипниковых щитов 9 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из стали. Активная часть индуктора собирается из тангенциально расположенных постоянных магнитов 8 и чередующимися с ними явно выраженными полюсами 7 таким образом, чтобы образовывалась чередующаяся полярность полюсов «N - S» индуктора, и крепится к втулке 6, выполненной из немагнитного материала (чаще всего - из сплава алюминия). Явно выраженные полюса 7 индуктора выполняются из материала с высокой магнитной проницаемостью и могут быть набраны из сегментарных листов электротехнической стали, скрепленных между собой в аксиальном направлении в пакеты, образующими полюса, а могут представлять собой цельные полюса из магнитомягкого материала, обработанные механически. Немагнитная втулка 6 необходима для того, чтобы магнитный поток возбуждения не замыкался сам на себя непосредственно, минуя рабочий воздушный зазор. Магнитный поток индуктора (фиг.1, фиг.3) выходит из постоянных магнитов с полярностью «N» в тангенциальном направлении, проходит через явно выраженные полюса 7 индуктора вначале в тангенциальном направлении, затем в радиальном направлении в сторону воздушного зазора, пронизывает воздушный зазор между индуктором и якорем, проходит через явно выраженные полюса 3 якоря в радиальном направлении от воздушного зазора, ярмо сердечника 2 якоря в тангенциальном направлении, далее через явно выраженные полюса 3 якоря в радиальном направлении в сторону воздушного зазора, пронизывает воздушный зазор между индуктором и якорем, входит в явно выраженные полюса 7 индуктора в радиальном направлении, а затем в постоянные магниты с полярностью «S», замыкая таким образом магнитную цепь.

Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря может работать в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5).

На фазы обмотки 4 якоря от источника питания подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменную во времени модулированную МДС якоря. На фиг.2 показана векторная диаграмма фазных токов якоря и диаграмма МДС якоря для схемы соединений катушек 8 u-фазной обмотки якоря, представленной на этой же фигуре. На фиг.4 показана векторная диаграмма фазных токов якоря и диаграмма МДС якоря для схемы соединений катушек 7u-фазной обмотки якоря, представленной на этом же чертеже. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и векторы токов на векторных диаграммах поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Направления электрических токов, показанные на схемах соединений катушек обмоток якоря, соответствуют моменту времени, когда фазные токи на векторных диаграммах проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 4 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер явно выраженного полюса 3 сердечника 2 якоря. Например, катушка D7 - катушка фазы D, расположенная на седьмом явно выраженном полюсе 3 сердечника 2 якоря. При протекании по катушкам обмотки 4 якоря переменного электрического тока явно выраженные полюса 3 якоря, намагничиваясь, образуют изменяющиеся во времени южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N» с переменной модулированной МДС якоря. Явно выраженные полюса 7 индуктора возбуждены постоянными магнитами 8 и образуют неизменяющиеся во времени южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N» с чередующейся полярностью с постоянной МДС индуктора. Вследствие взаимодействия переменной модулированной МДС якоря с постоянной МДС индуктора к ротору приложен однонаправленный вращающий момент. В соответствии с настоящим изобретением за один период изменения магнитного поля ротор поворачивается на два полюсных деления индуктора, т.е. на 2·t2P, где t2P=360°/Z 2P. Вследствие этого при изменении питающих напряжений, поданных на обмотку якоря с частотой бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 (Гц), ротор перемещается с синхронной частотой вращения n=120·бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 /Z2P (об/мин). Направление вращения ротора на фиг.1 и фиг.3 показано стрелкой с буквой «n».

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный постоянными магнитами 8, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 3 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в явно выраженных полюсах 3 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 4 якоря переменную ЭДС. В катушках обмотки 4 якоря, принадлежащих данной фазе, в любой момент времени наводятся одинаковые по величине ЭДС, которые, суммируясь, образуют ЭДС данной фазы. При замкнутой внешней цепи по фазам протекает электрический ток.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря, содержащая статор с обмоткой якоря и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, отличающаяся тем, что сердечник якоря выполнен шихтованным с явно выраженными полюсами и катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явно выраженными полюсами, создающими магнитный поток возбуждения при помощи постоянных магнитов и образующими в воздушном зазоре чередующуюся полярность «N-S» магнитных полюсов, активная часть индуктора насажена на немагнитную втулку, число явно выраженных полюсов якоря Z1р, число фаз m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 , число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z1m , число явно выраженных полюсов индуктора Z2P связаны равенствами (1) и (2): бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040причем при m=3,5,7,9,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z1m =1, 2, 3, 4,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 , при m=4, 6, 8, 10,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z1m =2, 4, 6, 8,бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 , катушки обмотки в фазе якоря соединены между собой встречно в магнитном отношении, начала фаз обмотки якоря по порядку, начиная с первой фазы, принадлежат катушкам, сосредоточенным на явно выраженных полюсах якоря, расположенных относительно друг друга, начиная с первого полюса, на угловом расстоянии бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря, патент № 2414040 =2·t1P, где t1P=360°/Z 1P - полюсное деление якоря.

2. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор - внутри.

3. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.

4. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен с когтеобразными полюсами и аксиальным расположением постоянных магнитов.

5. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен с радиальным размещением постоянных магнитов, представляющих собой явно выраженные полюса индуктора и прикрепленных к магнитомягкому сердечнику.

6. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен с тангенциальным размещением постоянных магнитов (ротор «коллекторного типа»).

7. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен мозаичным сборным (типа РОМС).

8. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты.

9. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты.

10. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

11. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве электрического двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

12. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в «звезду».

13. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в «многоугольник».

www.freepatent.ru

Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 27.06.80 (21) 2946570/24-07 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 23.02.82. Бюллетень № 7

Дата опубликования описания 23.02.82 (51) М. Кл.

Н02 К21/14

Гоеударстее»ный хоматет (53) УДК 621.313. .823.2 (088.8) по делам»зобрете»»» и открытий (72) Автор изобретения

В. Н. Калугин

Московский ордена Ленина авиационный инстит им. Серго Орджоникидзе (71) Заявитель (54) МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

ОБРАЩЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ

Изобретение относится к электромашинам, возбуждаемым постоянными магнитами, и может быть использовано в синхронных генераторах для стабилизации напряжения при переменной частоте вращения ротора, в вентильных генераторах постоянного тока или в генераторах системы генерирования

ПСПЧ (переменная скорость — постоянная частота) с приводом от турбины, частота вращения которой непостоянна, например авиационной турбины.

Известен магнитоэлектрический синхронный генератор, в котором стабилизация напряжения осуществляется путем подмагничивания магнитной цепи. В нем имеется обмотка.подмагничивания, которая воздействует на магнитную цепь генератора по команде от чувствительного элемента, регистрирующего отклонение напряжения от заданного (1).

Однако дополнительная обмотка и аппаратура управления увеличивают вес и габариты, а также усложняют конструкцию.

Известна конструкция ротора синхронной машины,. в которой используется перемещение постоянных магнитов с целью улучшения пусковых характеристик в двигательном режиме. На роторе такой машины рядом с пусковой обмоткой расположена на винтовой передаче звездочка из постоянных магнитов, которая при ускорениях ротора перемещается в осевом направлении вследствие действия инерционных сил и может занимать различное положение относительно расточки статора в зависимости от знака ускорения (2).

Недостатком известной конструкции является плохое использование активных материалов, так как в синхронном режиме часть активной длины машины, на которую приходится пусковая обмотка ротора, не участвует в создании электромагнитного момента. При пуске двигателя имеет место аналогичный недостаток, так как пусковая обмотка занимает лишь часть активной длины машины.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции, содержащий на роторе призматические постоянные магниты, равномерно расположенные по окружности так, что одноименные полюса их смежны, ферромагнитные полюса, расположенные в промежутках

90?713 магнитов на половину активной длины машины (по торцу). Вся центробежная сила, действующая на магнит, должна быть уравновешена силой упругости пружины. При характерных для электрических машин летательных аппаратов повышенных частотах вращения роторов центробежная сила в сотни и тысячи раз будет превышать силу веса и упругие элементы ротора должны противостоять огромным механическим нагрузкам, что исключает возможность прак- з$

Зо з$ между призматическими постоянными магн ита ми, средства перемещения части ма гнитопровода ротора под действием центробежных сил и демпфирующее устройство.

В силу принципа обратимости электрических машин такая синхронная машина может быть использована в генераторном . режиме (3) .

Недостатком является то, что магниты перемещаются лишь. в радиальном направлении и немагнитный зазор между ротором и статором не меняется, а для стабилизации напряжения при изменении частоты вращения потребуется существенное перемещение магнитов. Так, например, при двухкратном изменении частоты вращения по сравнению с номинальной, потребуется перемещение тическои реализации генератора с ротором подобной конструкции.

Кроме того, в роторе не обеспечивается согласное перемещение всех магнитов. В силу ряда причин (различного трения и веса отдельных магнитов, различной упругости пружин и т. д.) различные магниты переместятся на различные расстояния, что приведет к дисбалансу ротора и его разрушению.

Машинам с торцевыми статорами и роторами свойственны значительные осевые силы магнитного тяжения, что существенно осложняет работу подшипниковых узлов.

Цель изобретения — повышение надежности стабилизации .напряжения генератора при переменной частоте вращения ротора.

Указанная цель достигается тем, что устройства для перемещения части ротора выполнены в виде диска, жестко соединенной с ним немагнитной обечайки, внутренняя поверхность которой выполнена наклонной, сопряжена с перемещающимися частотами ротора и жестко соединена с неподвижными частями ротора, и немагнитного кольца, укрепленного на торцевых поверхностях всех перемещающихся частей ротора, а демпфирующее устройство выполнено в виде подпружиненного кольца, размещенного между диском и немагнитным кольцом.

Причем постоянные магниты могут быть жестко закреплены в С-образной немагнитной скобе, имеющей внешнюю поверхность с углом наклона, равным углу наклона обечайки, и установленной в последней, а ферромагнитные полюсы жестко соединены с обечайкой.

Кроме того, постоянные магниты жестко соединены с обечайкой.

4$

S0

На фиг. 1 изображен ротор с односторонним смещением его части, продольное сечение; на фиг, 2 — то же, двусторонним смещением его части; на фиг. 3 — ротор с перемещаемыми магнитами, поперечный разрез; на фиг. 4 — разложение центробежной силы; на фиг. 5 — графический метод расчета силы упругости демпфирующего устройства ротора.

В магнитоэлектрическом синхронном генераторе обращенной конструкции ротор расположен в обтекателе головной части авиадвигателя (фиг. 1). Относительно короткий наружный ротор генератора укреплен консольно на валу авиадвигателя, а статор с якорной обмоткой находится внутри ротора и прикреплен к обтекателю. В таком генераторе отсутствуют подшипниковые щиты, корпус, не-требуется редуктор, специальный расцепитель ротора и т. д.

Ротор состоит из призматических посстоянных магнитов 1, обладающих большой коэрцитивной силой, например редкоземельных магнитов типа SmCOS. Магниты охвачены с наружной поверхности и торцов С-образными немагнитными скобами 2. Скобы 2 вместе с магнитами 1 вставлены в пазы конической немагнитной обечайки 3. Наружные поверхности скоб 2 и дно пазов обечайки 3 имеют одинаковый уклон по отношению к продольной оси ротора. Между соседними магнитами расположены ферромагнитные полюсы 4, жестко прикрепленные к обечайке 3. Толщина магнитов 1 и скоб 2 и ширина пазов в обечайке 3 и- между полюсами 4 выбирается таким образом, чтобы магниты имели возможность скользить вдоль пазов.

Все скобы связаны между собой немагнитным кольцом 5 таким образом, что могут перемещаться в радиально-осевом направлении только совместно.

Упругий, предварительно сжатый элемент 6, например кольцевой сильфон, дисковая пружина и др., размещается между кольцом 5 и дисковой частью ротора 7.

Между полюсами 4 на внутренней поверхности ротора устанавливаются клинья 8.

Упругий элемент б может быть установлен справа (фиг. 1) и тогда он работает на сжатие, а также слева (упругий элемент будет растягиваться).

На фиг. 2 показан ротор, в котором могут перемещаться в разные стороны лишь крайние магниты, а центральный остается на месте. Конструкция ротора может быть выполнена с неподвижными магнитами и подвижными ферромагнитными полюсами.

Выбор подвижных частей ротора (магниттов 1 или полюсов 4) и способ установки упругого элемента 6 определяются конкретными условиями работы генератора.

Стабилизация напряжения генератора при изменении частоты вращения ротора п осуществляется следующим образом.

907713 магнитов. Она препятствует выходу магнитов из межполюсных пазов и увеличивается с ростом величины перемещения частей ротора Ь Z до некоторого предела. Зависимость

F

При отклонении и от номинальной подвижные части ротора перемещаются в радиально-осевом направлении под действием осевой силы F (фиг. 4). Если происходит увеличение частоты вращения ротора п, сила F увеличивается, упругий элемент 6 поджимается и подвижная часть ротора перемещается вправо на расстояние Ь Z, вследствие чего поток возбуждения Ф уменьшается. При уменьшении частоты вращения ротора п сила г уменьшается и упругий элемент 6 перемещением влево подвижной части ротора обеспечивает увеличение потока возбуждения Ф. Подбором угла наклона (, поверхностей соприкосновения подвижных частей ротора и обечайки 3 и жесткости упругого элемента 6 можно добиться необходимой связи между приращением частоты вращения ротора п и приращением потока возбуждения Ф, при которой напряжение генератора будет постоянным во всем расчетном диапазоне изменения и (даже с учетом влияния f = и на индуктивное сопротивление якоря). Изменение потока возбуждения Ф по мере перемещения магнитов в радиально-осевом направлении происходит как за счет изменения длины магнитов в пределах расточки статора, так и за счет изменения межполюсного рассеяния в промежутках, освобожденных (занятых) магнитами. Изменение потока возбуждения ф в случае подвижных полюсов происходит за счет изменения немагнитного зазора и активной длины. Один из возможных спо- 3о собов выбора угла наклона опорных поверхностей подвижных магнитов и жесткости упругого элемента иллюстрирован графически на фиг. 5.

В квадранте II представлена зависимость силы F, сжимающей упругий элемент 6, от угловой частоты вращения ротора сД"

Fo = mrs Rsin

m — масса магнитов со скобами; (J 40

4J- — „ -относительная частота вращения; н

К= const - радиус центра вращающейся массы ма гнитов.

В квадранте IV представлена зависимость потока полюса ф = У- от осевого смещения ч нон магнита полюса, которую можно получить 45 расчетным или экспериментальным путем.

В первом квадранте построены зависимости силы магнитного тяжения магнитов

F> 1(Ь Z), силы упругости сильфона Fy ——

= f(Ь Z) от величины перемещения частей ротора и суммарной осевой силы F= :ГУ + Е„„ о уравновешивающей осевую силу F . Сила

F обусловлена магнитным потоком, который возникает между торцами полюсов 4 и вышедшими за их пределы частями постоянных йли экспериментальным путем. На основании зависимостей Г = f(to*) и Ф = 1(А Z) графическим путем с учетом ь ф >1 определяется зависимость суммарной уравновешивающей силы F = 1(Ь Z), после чего графическим путем определяется функция ГУ вЂ” — f(h, Z)

F = F — F . Начальное поджатие упругого

У У элемента определяется. с помощью, функции

F = f (ь ) для минимальной скорости d

X 4, = 1 при Ь Z = О. Аналогичным путем можно провести расчет и для подвижных полюсов.

Предлагаемый ротор не обеспечивает стабилизации напряжения при изменении нагрузки генератора. Однако в магнитоэлектрическом генераторе синхронное сопротивление х> существенно меньше по сравнению с генераторами с электромагнитным возбуждением и падение напряжения в нем меньше.

Формула изобретения

1. Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции, ротор которого содержит призматические постоянные магниты, равномерно расположенные по окружности и ориентированные полюсами один настречу другому, ферромагнитные полюса, расположенные в промежутках между постоянными магнитами, устройства для перемещения частей ротора и демпфирующее устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности стабилизации напряжения генератора при изменении частоты вращения ротора, устройства для перемещения части ротора выполнены в виде диска, жестко соединенной с ним немагнитной обечайки, внутренняя поверхность которой выполнена наклонной, сопряжена с перемещающимися частями ротора и жестко соединена с неподвижными частями ротора, и немагнитного кольца, укрепленного на торцовых поверхностях всех перемещающихся частей ротора, а демпфирующее устройство выполнено в виде подпружиненного кольца, размещенного между диском и немагнитным кольцом.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что постоянные магниты жестко закреплены в С-образной немагнитной скобе, имеющей внешнюю поверхность с углом наклона, равным углу наклона обечайки, и установленной в последней, а ферромагнитные полюса жестко соединены с обечайкой.

3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что постоянные магниты жестко соединены с обечайкой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 3214675, кл. 322-46.

2. Авторское свидетельство СССР № 453773, кл. Н 02 К 21/46, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР № 527803, кл. Н 02 К 21/46, 1974.

907713 фиг.4

Составитель Т. Калашникова

Техред А. Бойкас Корректор Н. Стен

Тираж 719 Подписное

Редактор Н. Джуган

Заказ 611 66

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,. Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции 

www.findpatent.ru

СИНХРОННЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к области электротехники и касается электрических машин, в частности синхронных генераторов, применяемых, например, в ветроэлектрогенераторных установках, гидрогенераторах, турбогенераторах, и аналогичного применения электрооборудования, предназначенного для преобразования механической энергии первичных двигателей в электрическую.

Известен аналог, содержащий статор и вращающийся внутри него ротор. Между статором и ротором имеется воздушный зазор (см. Иванов А.А. Справочник по электротехнике // Киев: Вища школа, 1984, 360 с. - на стр. 248).

Недостатками его являются большая масса статора, выполненного в том числе из обмоток провода; перегрев конструкции из-за вихревых токов, дороговизна используемых материалов и технологии изготовления; возможность перегрузки при повышенной нагрузке.

Задачей изобретения является уменьшение массы генератора, упрощение технологии изготовления и снижение стоимости.

Поставленная задача достигается тем, что синхронный магнитоэлектрический генератор, содержащий статор и ротор, содержит размещенные на статоре магнитоэлектрические элементы и магниты для подмагничивания магнитоэлектрических элементов.

Магнитоэлектрические элементы могут быть изготовлены с возможностью работать на резонансной частоте.

Конструкция статора может содержать магнитоэлектрические элементы, выполненные из материалов с внутренним магнитным полем и не требующие применения в конструкции магнитов для подмагничивания магнитоэлектрических элементов.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат: уменьшение массы генератора, упрощение технологии изготовления и снижение стоимости, а также отсутствие нагрева элементов статора по причине отсутствия вихревых токов.

Для пояснения предлагаемого изобретения предложены чертежи. На фиг. 1 изображен продольный и поперечный разрез синхронного трехфазного МЭ генератора, на фиг. 2 изображен продольный и поперечный разрез синхронного однофазного МЭ генератора, на фиг. 3 изображены схемы принципиальные генераторов: а - трехфазного, б - однофазного.

Устройство состоит из статора генератора в составе корпуса статора 1, в плоскости которого установлены МЭ элементы 2 и магниты для подмагничивания 3; ротора генератора, который состоит из оси 4, установленной в подшипники статора 5, на оси закреплены посредством конструкционных держателей 6 магниты 7, электрический потенциал снимается с электродов 8.

Устройство работает следующим образом. На ось 4 ротора передается вращающий момент от внешнего источника движения. Ось вращает закрепленные на ней с помощью держателей 6 магниты 7. Магниты предназначены для создания переменного магнитного поля, наводимого в МЭ элементах 2 статора при их вращении. Переменное магнитное поле индуцирует переменный электрический потенциал на обкладках МЭ элемента следующим образом. МЭ элемент - это элемент, выполненный по керамической технологии, слоистый материал, искусственный материал, либо монокристалл, обладающий МЭ эффектом. МЭ эффект заключается в индуцировании электрической поляризации при воздействии на материал внешнего магнитного поля или индуцировании намагниченности при воздействии на материал внешнего электрического поля. Для примера приведем описание работы слоистого МЭ материала, состоящего из пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца типа ЦТС-19 и магнитострикционного материала Метглас. Исследование этого материала приведено, например, в работе (см. Бичурин М.И., Петров Р.В., Соловьев И.Н., Соловьев А.Н. Исследование магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и Метгласа // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №1; URL: www.science-education.ru/101-5367). В конструкцию статора установлены постоянные подмагничивающие магниты 3 для создания необходимого смещения в МЭ элементе. Магнитострикционная фаза МЭ элемента, попав в зону действия переменного магнитного поля, изменяет геометрические размеры, что приводит к давлению на пьезоэлектрическую фазу МЭ элемента, а это в свою очередь индуцирует появление электрического потенциала на обкладках МЭ элемента. МЭ элементы могут быть соединены между собой, например, как показано на фиг. 3 (а - соединение для конструкции трехфазного синхронного МЭ генератора показанного на фиг. 1, б - соединение для конструкции однофазного синхронного МЭ генератора показанного на фиг. 2), либо использоваться раздельно. Если для изготовления МЭ элементов используется поляризованный пьезоэлектрик, то необходимо учитывать полярность подключения элементов. Окончательно электрический потенциал снимается с электродов 8 устройства. Кроме того, скорость ротора при постоянной частоте тока в МЭ элементах статора сохраняется постоянной и не зависит от нагрузки на валу, т.е. режим работы генератора синхронный. Для поддержания синхронного режима работы, оптимального генерирования энергии, расположение МЭ элементов на статоре симметричное, например, как показано на фиг. 1 и фиг. 2. Расположение магнитов для подмагничивания МЭ элементов выбирается таким образом, чтобы обеспечить линейный режим генерации напряжения на МЭ элементе. Существенное увеличение производительности синхронного МЭ генератора можно добиться применением резонансного режима работы МЭ элементов, например используя резонанс изгибных колебаний (см. М.И. Бичурин, В.М. Петров, К.В. Лаврентьева, Р.В. Петров Изгибные колебания двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуры // Вестн. Новг. гос. унта. Сер.: Техн. науки. 2011. №65. С. 11-13).

По сравнению с традиционным синхронным генератором в предложенной конструкции отсутствуют катушки статора, которые имеют существенный вес, часто выполняются из дорогих медных сплавов, намотка таких катушек - это сложный технологический процесс, требующий больших трудозатрат и специального оснащения, в магнитопроводе статора возникают вихревые токи, которые являются причиной перегрева генератора и снижают его надежность. В отличие от этого, в предложенной конструкции отсутствуют катушки статора, источником э.д.с. здесь являются МЭ элементы. Конструкция корпуса статора 1 может быть выполнена из диэлектрических немагнитных материалов, что позволит исключить возникновение паразитных вихревых токов. Стоимость МЭ элементов, выполненных, например, по керамической технологии, оценивается существенно ниже в виду отсутствия дорогостоящих медных сплавов, а сама технология проста и не требует специализированных средств оснащения (см. C.-W. Nan, M.I. Bichurin, S. Dong, D. Viehland, and G. Srinivasan. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions // J. Appl. Phys. 103, 031101 (2008)). Вес МЭ элементов по сравнению с катушками обмотки и стальными сердечниками меньше, т.к. плотность исходных компонентов ниже (медь - 8,92 г/см3, ЦТС - 7,4 г/см3). Возможность перегрузки при повышенной нагрузке в предложенной конструкции отсутствует, т.к. внутреннее сопротивление МЭ элементов велико и режим короткого замыкания не вызовет перегрева элементов.

Предлагаемое по п. 2 отличие обосновано тем, что эффективность работы МЭ элементов существенно выше на резонансной частоте, нежели вне резонанса, что подтверждено исследованиями, приведенными в статье (см. M.I. Bichurin, D.A. Filippov, and V.M. Petrov. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites // Phys. Rev. В 68, 132408, 2003). Значение преобразованной энергии в МЭ элементе в районе резонанса может превышать нерезонансное на два порядка, что обеспечивает преимущество такой конструкции. Конструкция генератора должна быть сконструирована таким образом, чтобы скорость вращения генератора была приведена в соответствие с линейными резонансными размерами МЭ элемента.

Предлагаемое по п. 3 отличие обосновано тем, что разработаные новые магнитострикционные материалы, в которых существует внутреннее магнитное поле за счет внутренних деформаций материала, остаточного намагничивания, либо градиента магнитных свойств (см. Бичурин М.И., Петров В.М., Семенов Г.А. Магнитоэлектрический материал для компонентов радиоэлектронных приборов // Патент РФ №2363074 от 11.03.2008), существенно превосходят по своей функциональности традиционные, такие как, например, никель, Метглас, пермендюр и др. Использование таких материалов позволяет исключить подмагничивание МЭ элементов, что было необходимо для преодоления квадратичного режима работы МЭ элементов и работы преобразователей в более эффективном линейном режиме.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет достичь минимальный вес генератора по сравнению с традиционными имеющими обмотки статора генераторами, упрощенную технологию изготовления и минимальную стоимость, уменьшить перегрев конструкции, возникающий из-за вихревых токов, отсутствие перегрузки при повышенной нагрузке.

СИНХРОННЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОРСИНХРОННЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОРСИНХРОННЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

edrid.ru